Czujki przeciwpożarowe - typy, właściwości oraz zasada działania

W zależności od typu budynku, sposobu jego użytkowania, liczby osób w nim przebywających, wartości zasobów w nim zgromadzonych oraz spodziewanego scenariusza rozwoju pożaru, system ochrony przeciwpożarowej może pełnić różne funkcje dodatkowe.

Na przykład: ostrzega o pożarze i informuje o konieczności ewakuacji, włącza spryskiwacze, wyłącza klimatyzację, odłącza prąd i powiadamia służby ratownicze. Jego najważniejszym zadaniem powinno być jednak wykrywanie wystąpienia zagrożenia pożarowego w możliwie jak najkrótszym czasie.

Ludzie potrafią je rozpoznać wieloma zmysłami. Zdrowa osoba zareaguje na nadmierny wzrost temperatury, zobaczy płomień i dym, wyczuje zapach spalenizny. Dlatego w systemach ochrony przeciwpożarowej z reguły przewiduje się możliwość ich ręcznej aktywacji przez osobę, która na miejscu odkryje ognisko pożaru. Ponieważ jednak nie można się oprzeć tylko na ludziach, którzy z różnych przyczyn, na przykład zdrowotnych lub nieuwagi, mogą się zbyt późno zorientować, że się pali, w chronionym obiekcie instaluje się czujniki.

Czujki pożaru. Czujki ciepła

Czujki pożarowe to komponenty systemu sygnalizacji pożarowej zawierające przynajmniej jeden czujnik, który stale lub okresowo sprawdza, czy wystąpiło dane zjawisko fizyczne lub chemiczne towarzyszące pożarowi, generując w takim przypadku sygnał alarmowy. W uproszczeniu imitują one ludzkie zmysły dotyku, wzroku i powonienia.

Na pierwszym opierają się detektory ciepła. Można o nich powiedzieć, że naśladują naszą zdolność do reagowania na podwyższoną temperaturę. Czujniki dymu są natomiast jak elektroniczne nosy, a sensory płomienia jak elektroniczne oczy. Od właściwego wyboru oraz rozmieszczenia detektorów zależy skuteczność systemu ochrony przeciwpożarowej i wiarygodność wszczynanych przez niego alarmów.

Czujki ciepła to jedne z najstarszych typów detektorów pożarów. Można generalnie wyróżnić dwa ich rodzaje. Są to sensory punktowe i liniowe. W pierwszych elementem pomiarowym jest czujnik temperatury, na przykład termistor, który mierzy temperaturę powietrza w pomieszczeniu objętym ochroną przeciwpożarową. Czujniki punktowe również dzieli się na dwie grupy.

Czujki punktowe i liniowe

Te pierwszego typu reagują na przekroczenie przez temperaturę powietrza ogrzanego płomieniami wartości granicznej. Przeważnie jest to około +60ºC. Czujki drugiego typu monitorują z kolei to, jak szybko temperatura rośnie i aktywują alarm, jeżeli wykryją, że w krótkim przedziale czasu wzrost ten był znaczący. Detektory punktowe rozmieszcza się zwykle w pewnych odstępach, mocując je do ścian i sufitu budynku.

Czujki liniowe, podobnie jak punktowe, mogą reagować na przekroczenie temperatury granicznej lub zbyt szybką zmianę wartości tej wielkości. Są to zwykle detektory światłowodowe lub czujki, których działanie opiera się na zjawisku zmiany rezystancji przewodnika elektrycznego na skutek wzrostu temperatury.

Detektory liniowe są używane głównie tam, gdzie ze względu na wyjątkowo duże odległości albo rozległą powierzchnię chronioną należałoby zainstalować dużą liczbę punktowych czujek ciepła. Przykładem są tunele drogowe, tunele kolejowe, metro.

Zalety i wady czujek ciepła

W porównaniu z na przykład czujnikami dymu czujki ciepła rzadziej wywołują fałszywe alarmy. To wynika stąd, że reagują dopiero wtedy, gdy pożar się już na dobre rozwinie. Niestety, z powodu dłuższego czasu reakcji nie powinno się z nich korzystać, jeżeli ze względów bezpieczeństwa ludzi albo wartości zasobów budynku nie można dopuścić do pojawienia się otwartych płomieni.

Ze zwłoki oraz pewności zasadności zadziałania czujek ciepła korzysta się natomiast w miejscach rzadko uczęszczanych przez ludzi, których zasoby trzeba chronić nie tylko przed ogniem, ale i przed nieuzasadnionym użyciem środków gaśniczych. Przykładem są magazyny. W takich przypadkach detektory ciepła bezpośrednio aktywują spryskiwacze.

Korzysta się z nich także w pomieszczeniach, w których występują czynniki mogące wywoływać fałszywe alarmy czujek dymu, na przykład opary, pyły, wilgoć. Przykładami takich w budynkach mieszkalnych są kuchnie i garaże. Zalety detektorów ciepła to także: niezawodność zadziałania i niski koszt.

Czujki dymu

Jak się okazuje, dym pożarowy bywa znacznie groźniejszy od samych płomieni. Według statystyk Państwowej Straży Pożarnej nawet w 70% pożarów przyczyną śmierci było zetknięcie z dymami i toksycznymi produktami spalania, takimi jak tlenek węgla, chlorowodór, cyjanowodór.

Zresztą już nawet wdychanie ich przez krótki czas może powodować poważne problemy zdrowotne, takie jak: kaszel, drapanie w gardle, trudności w oddychaniu, a w końcu uszkodzenie układu oddechowego, pieczenie, łzawienie oczu, bóle głowy, zawroty głowy oraz wymioty. Pierwszą linię obrony przed tymi zagrożeniami stanowią czujniki dymu.

Detektory tego typu to stosunkowo nowa grupa czujek pożaru, które upowszechniły się w latach 70. i 80. zeszłego wieku. Reagując na dym, są w stanie wykryć pożar już na wczesnym etapie jego rozwoju, gdy płomień ledwie się tli. Najpopularniejsze są czujniki punktowe, które mocuje się na ścianach i suficie, tak jak detektory cieplne. Można wyróżnić kilka typów tych czujek. Jedne z popularniejszych to: fotoelektryczne i jonizacyjne.

Czujki fotoelektryczne

 

Rys. 1. Budowa i działanie czujki fotoelektrycznej

Na rysunku 1 przedstawiono elementy, z których zbudowane są fotoelektryczne czujki pożaru oraz wyjaśniono zasadę ich działania. Wykorzystuje się w nich zjawisko rozproszenia promieniowania na drobinach dymu. Jego źródłem jest dioda LED. Emituje ona promieniowanie podczerwone w odstępach kilkusekundowych.

Drugim elementem jest jego detektor. Nadajnik i odbiornik nie są ustawione na wprost siebie, lecz pod kątem, w normalnych warunkach zatem promieniowanie do detektora nie dociera. Kiedy jednak przez otwory wentylacyjne do komory czujki przeniknie dym, promieniowanie ulega rozproszeniu i jego część pada na detektor.

Aktywuje to alarm. By zapobiec fałszywym zgłoszeniom, kratki wentylacyjne czujek fotoelektrycznych osłania się siatką ochronną, dzięki której do komory pomiarowej nie mogą wejść insekty.

W przypadku dużych otwartych przestrzeni, na przykład w galeriach handlowych, korzysta się też z czujek w układzie nadajnik - odbiornik umieszczonych naprzeciw siebie w znacznej odległości, na przykład kilkudziesięciu metrów. W razie wystąpienia zadymienia przecinającego wiązkę natężenie promieniowania docierającego do detektora maleje i wszczynany jest alarm przeciwpożarowy.

Czujki jonizacyjne

Częścią tytułowych urządzeń, znanych także jako czujki izotopowe, jest źródło promieniowania jonizującego. Jonizuje ono powietrze w komorze pomiarowej. Płynie przez nie prąd o niewielkim natężeniu, które jest mierzone. Wartość tej wielkości zmniejsza się, gdy gaz w komorze zmiesza się z dymem. Zmiana natężenia prądu jonizacji w zależności od stężenia składników powietrza w komorze detektora aktywuje alarm.

Generalnie czujki jonizacyjne skuteczniej wykrywają pożary, w których występują duże płomienie, a ilość dymu jest ograniczona (reagują już na jego bardzo małe drobiny). Czujniki fotoelektryczne natomiast szybciej wykrywają pożary, w których powstaje duże zadymienie przy niewielkiej ilości ognia.

Uniwersalnym rozwiązaniem są kombinowane detektory dymu, na przykład stanowiące połączenie czujki cieplnej i fotoelektrycznej. Pod względem możliwości rozpoznawania bardzo małych cząstek dymów czujnikom izotopowym dorównują z kolei czujki fotoelektryczne, w których zamiast diody LED, emitującej promieniowanie podczerwone, używa się diody niebieskiej. Dzięki temu, że nie korzysta się w nich ze źródła promieniowania jonizującego, coraz bardziej zyskują na popularności.

Czujki zasysające

Do kategorii detektorów dymu zaliczane są również czujki zasysające. Zasada ich działania opiera się na ciągłym monitorowaniu aktualnej jakości powietrza w strefie, która została objęta ochroną przeciwpożarową.

W tym celu korzysta się z wentylatora zasysającego oraz sieci przewodów rurowych z wlotami rozmieszczonymi w odstępach, którymi próbki powietrza są pobierane i przesyłane do komory pomiarowej. W niej są one badane pod kątem zawartości cząstek dymu.

Częścią detektora zasysającego jest także czujnik natężenia przepływu powietrza. Jego zadaniem jest wykrywanie wystąpienia pęknięć oraz niedrożności w rurkach zasysających.

Czujki zasysające w porównaniu z innymi czujnikami dymu mają wiele zalet, zarówno jeżeli chodzi o skuteczność wykrywania zagrożenia pożarem, jak i użytkowych. Przede wszystkim wyróżniają je: duża czułość, szybkość reakcji i rzadkość wywoływania fałszywych alarmów. To ostatnie uzyskuje się dzięki filtrowaniu pyłów i zanieczyszczeń. Dlatego chętnie korzysta się z nich na przykład w przemyśle spożywczym i drzewnym.

Z kolei dzięki temu, że detektor można umieścić poza strefą chronioną, przez którą są prowadzone jedynie przewody próbkujące powietrze, czynności konserwacji i naprawcze można przeprowadzać poza nią. Jest to ważna zaleta, jeśli dostęp do tego miejsca powinien być ograniczony ze względów bezpieczeństwa albo konieczności zachowania sterylnych warunków, na przykład w przemyśle farmaceutycznym i clean roomach, czyli pomieszczeniach o kontrolowanych warunkach środowiskowych, z których korzysta się m.in. w produkcji układów scalonych.

Na czym polega stratyfikacja dymu?

Detektorów zasysających nie dotyczą trudności występujące podczas konserwacji i napraw czujek punktowych innych typów w przypadku zamocowania ich na dużej wysokości. Korzysta się z nich również w przypadku pomieszczeń, których wyposażenie zasłaniałoby nadajnik w układzie czujki fotoelektrycznej z odbiornikiem umieszczonym naprzeciw, ale w znacznej odległości.

Detektory zasysające sprawdzają się też w bardzo wysokich obiektach jak stadiony, w przypadku których maksymalna wysokość, na której można zamocować czujki ciepła i dymu, która wynosi odpowiednio 8 i 11 metrów, okazuje się za niska. Ograniczenie to wprowadza się w związku ze zjawiskiem stratyfikacji.

Polega ono na tym, że dym po tym, jak dotrze na pewną wysokość, przestaje unosić się do góry, a zaczyna rozprzestrzeniać się w kierunku poziomym, przez co do czujek umieszczonych wysoko pod samym sufitem może dotrzeć z niedopuszczalnie dużym opóźnieniem. Przyczyn zjawiska stratyfikacji upatruje się w tym, że w miarę unoszenia się dym ulega schłodzeniu, zaś w górnej części pomieszczeń zazwyczaj gromadzi się cieplejsze powietrze blokujące swobodny przepływ tego chłodniejszego.

Rozpoznawanie dymu na obrazie

Z detektorów zasysających korzysta się także tam, gdzie cyrkulacja powietrza jest wymuszana. W takim przypadku trudno jest bowiem o uformowanie się dymu w stożek. W zamian wentylatory systemu klimatyzacji rozprowadzają go równomiernie po całym pomieszczeniu. Przez to jego stężenie spada i jest on przez czujki innych typów wykrywany później. Przykładem takich pomieszczeń są serwerownie, których wyposażenie stale wymaga wymuszonego chłodzenia.

Generalnie zaletą czujek dymu jest możliwość wykrycia pożaru w jego wczesnym stadium. Dzięki temu, jeśli od razu zostaną podjęte właściwe działania, znacznie ogranicza się straty, a nawet można ich całkiem uniknąć. Dlatego chętnie korzysta się z nich tam, gdzie ogień zagraża bezpieczeństwu ludzi albo cennym zasobom.

Za wadę można uznać cenę, a w przypadku detektorów izotopowych też dodatkowe wymagania eksploatacyjne, które trzeba spełnić w związku z tym, że ich częścią jest źródło promieniowania jonizującego. Ponadto częściej niż czujki cieplne wywołują fałszywe alarmy. Można ich uniknąć, wybierając właściwe miejsce montażu. Na przykład w budynkach mieszkalnych czujek dymu nie powinno się instalować w kuchni.

Kolejnym sposobem na wykrycie pożaru jest analizowanie widoków chronionego obiektu, które są rejestrowane przez kamery przemysłowe. Stosowane w tym celu algorytmy przetwarzania obrazów są w stanie rozpoznać zarówno dym, jak i płomienie.

Czujki płomienia

Jeżeli chodzi o te ostatnie, to do ich wykrywania służy specjalna kategoria czujek. Są to detektory, które reagują na promieniowanie emitowane w charakterystycznych dla płomieni zakresach podczerwieni i ultrafioletu. Stanowią one często uzupełnienie czujników innych rodzajów.

Korzysta się z nich na przykład wtedy, gdy możliwe jest zapalenie się materiałów, w czasie spalania których wydziela się mała ilość dymu. Innym ich zastosowaniem jest monitorowanie otwartych przestrzeni, na przykład różnego typu składowisk, gdzie nie ma możliwości zamontowania detektorów innych typów.

Czujki płomienia wykrywające promieniowanie ultrafioletowe wyróżnia duża szybkość reakcji oraz czułość. Ta ostatnia zmniejsza się jednak przy silnym zadymieniu. W związku z tym w zamkniętych pomieszczeniach może dojść do sytuacji, w której, jeśli czujnik nie zdąży wykryć płomienia, zanim dym nagromadzi się w dużej ilości, w ogóle nie zaalarmuje o pożarze.

Poza tym promieniowanie ultrafioletowe jest pochłaniane przez oleiste powłoki, które mogą się osadzać na okienku detektora i inne związki organiczne w powietrzu, co także zmniejsza czułość detekcji. Przyczyną fałszywych alarmów zgłaszanych przez takie czujki mogą być z kolei łuki elektryczne i źródła promieniowania rentgenowskiego.

Z kolei czujniki płomieni reagujące na promieniowanie podczerwone sprawdzają się przy dużym zadymieniu i w wykrywaniu pożarów o słabym spalaniu. Ze względu na dużą liczbę źródeł promieniowania IR w otoczeniu (pracujące maszyny, grzejniki) bez dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych, na przykład specjalnych algorytmów przetwarzania sygnału pomiarowego i umieszczania kilku detektorów podczerwieni o różnych zakresach pomiarowych w jednej czujce, mogą być jednak źródłem częstych fałszywych alarmów.

Poza tym są zwykle tańsze niż czujki UV. Dostępne są również detektory płomieni wielosensorowe, na przykład z kilkoma czujnikami IR i jednym UV.

Monika Jaworowska